Метрология стандартизация и сертификация в строительном материалове

тяжести. Этот показатель, называемый осадкой конуса, выражают в сантиметрах.

Жесткие бетонные и растворные смеси, не обнаруживающие деформаций при таких незначительных нагрузках, обычно на строительстве укладывают с помощью виброинструмента, используя их тиксотропные свойства. Поэтому удобоукладываемость таких смесей оценивают по показателю жесткости на приборах, моделирующих виброуплотнение смесей. Жесткие растворные смеси (мелкозернистые бетоны) испытывают на встряхивающем столике, определяя жесткость по расплыву конуса из растворной смеси, а бетонные смеси – в специальном приборе (ГОСТ 10181–2000), устанавливаемом на виброплощадку. Оценку жесткости бетонной смеси проводят по времени вибрирования в секундах до заполнения бетонной смесью формы и выделения на ее поверхности цементного молока.

Конкретные методики оценки реолого-технологичес- ких свойств различных материалов описаны далее в соответствующих параграфах.

4.14. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

При определении какого-либо показателя свойства материала часто приходится сталкиваться с тем, что значения, получаемые при измерении этого показателя, неодинаковы. Например, прочность контрольных кубов одного замеса бетона почти всегда неодинакова. Эти отклонения могут быть обусловлены разными причинами: неточностью измерительных приборов или неправильностью методики измерений,

251

ошибками работника, производящего измерения, и неизбежнымиотклонениями свойств самого материала.

Первые две причины, называемые систематические ошибки, могут быть устранены или учтены. Третья причина – случайные ошибки, которые складываются из множества неконтролируемых причин: неоднородности материала, различием в его технологической обработке и т.п. Полностью исключить влияние случайных ошибок невозможно. Эти ошибки вызывают отклонения при измерении в обе стороны от истинного значения. Эти отклонения обычно подчиняются нормальному закону распределения:

–отклонения не могут иметь один и тот же знак, т.е. измеряемые значения бывают и больше, и меньше среднего значения;

–абсолютные значения отклонений ограничены каки- ми-либо пределами для большинства результатов измерений;

–чем больше значение отклонения, тем реже оно встречается;

–если число измерений достаточно велико, то сумма положительных отклонений приблизительно равна сумме отрицательных.

Ряд числовых значений, полученных при измерении,

называют рядом измерений или статистической совокуп-

ностью. Например, при определении прочности бетона партии бетонных изделий получены следующие значения

(МПа): 21,0; 22,4; 21,4; 21,6; 25,6. Простейший способ оценки прочности бетона в данной партии – определение средних значений.

Среднее арифметическое значение – статистическая характеристика, описывающая одним числом результаты некоторого ряда измерений. Среднее арифметическое значение Х вычисляют по формуле

252

n

X = (1 / n)( X1 + X 2 + ...X n ) = (1 / n) ∑ X i ,

i=1

где Х1, Х2, … Хп, – результаты отдельных измерений; п – число измерений.

Для данного примера сумма результатов всех измерений – 112 МПа, число измерений п = 5. Среднее арифметическое значение прочности (средняя прочность) бетона в данной партии 22,4 МПа.

Среднее арифметическое дает представление о среднем значении измеряемой величины, но ее изменчивости, т.е. пределов колебания (варьирования) этой величины, не отражает. Так, при определении прочности бетона в двух партиях изделий прочность бетона оказалась (МПа):

в первой партии – 21,0; 22,4, 21,4; 21,6; 25,6; во второй партии – 19,0; 24,4; 20,1; 23,0; 25,5. Средняя прочность в обеих партиях бетона 22,4 МПа, но колебания прочности во второй партии значительно больше, чем в первой.

Среднее квадратичное отклонение S служит харак-

теристикой средней изменчивости изучаемой величины. Его выражают в тех же единицах, что и среднее арифметическое значение, и вычисляют по формуле

где ∑( X i − X )2 – сумма квадратов отклонений всех изме-

рений от среднего арифметического; п – число измерений. Знак плюс или минус в формуле показывает, что отклонение может быть как в одну, так и в другую сторону

от среднего арифметического.

253

Квадрат среднего квадратичного отклонения S2 назы-

вается дисперсией.

На практике для характеристики разброса измерений часто используют понятие размах (варьирование) R, который представляет собой разность между максимальным и минимальным значениями в ряду измерений,

R = Xmax – Xmin.

Так, для первой партии бетона

R1 =25,6 – 21,0= 4,6 МПа,

а для второй –

R2= 25,5 – 19= 6,5 МПа.

Размах используют главным образом при анализе результатов небольшого числа измерений (до 10), чтобы облегчить вычисление среднего квадратичного отклонения, которое вычисляют по формуле

Например, для 1-й и 2-й партий бетона при числе измерений п = 5d = 2,33. Тогда среднее квадратичное отклонение, вычисленное по вышеприведенной формуле, будет следующим:

S1 = (25,6 – 21,0)/2,33 = 1,97 МПа;

S2 = (25,5 – 19,0)/2,33 = 2,79 МПа.

254

При обработке опытных данных при п ≥ 10 среднее квадратичное отклонение рассчитывают по формуле (4.15). Для удобства вычислений используют таблицу, составленную из трех граф. В первой графе, обозначенной X, записывают полученные результаты; во второй, обозначенной ∆, – отклонения отдельных результатов (со знаком плюс или минус) от среднего арифметического X , в третьей, обозна-

ченной ∆2, – квадраты этих отклонений (со знаком плюс). Необходимо помнить, что сумма отклонений ∆ со знаком плюсдолжна быть равна сумме отклонений сознаком минус.

Среднее квадратичное отклонение – одна из наиболее важных статистических характеристик. Однако его абсолютное значение не позволяет сравнить степень изменчивости изучаемого свойства у нескольких групп материалов. Например, в результате испытаний двух партий бетона на сжатие получено X1 = 45,0 МПа, S1 = 6 МПа

и X 2 = 12,2 МПа, S2 = 2,9 МПа. Сравнивая абсолютные

значения среднего квадратичного отклонения, можно сделать вывод, что предел прочности при сжатии первой партии более изменчив, чем второй. Но если оба средних квадратичных отклонения выразить в процентах от соответствующих им средних арифметических, то для первой партии получим

(S1/ X1 )100 % = 3,3 %,

а для второй –

(S2 / X 2 )100 % = 23,8 %,

т.е. относительная изменчивость у второй партии больше, чем у первой. Показатель относительной изменчивости ν

255

(%), называемый коэффициентом вариации, вычисляют по формуле

ν = (S / X )100.

При обработке экспериментальных данных в некоторых случаях отдельные результаты измерений имеют значительно большее отклонение от среднего, чем остальные. В подобных случаях прежде всего проверяют, не допущена ли ошибка в процессе экспериментального определения. Если удается точно установить причину такого отклонения, то результат необходимо исключить из расчетов.

Однако бывают случаи, когда не удается установить причину значительного отклонения числа, а подозрения в его ошибочности остаются. В таком случае проверяют принадлежность подозреваемого числа к исследуемому статистическому ряду. В стандартах эта операция называется проверка анормальности. Результаты испытаний принимают анормальными и не учитывают в дальнейших расчетах, если относительное отклонение Tк, определяемое по формуле Tк = (X – X )/S, не превышает допустимых значений, указанных ниже:

При наличии в ряду измерений двух подозреваемых в грубой ошибочности чисел первоначально проверку делают для более резко отклоняющегося значения; и уже после исключения его – для второго.

256

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ

Структурные характеристики и свойства строительных материалов принято разделять на основные, одинаково важные для всех строительных материалов (например, плотность, пористость, прочность), и специальные, позволяющие оценить возможность применения данного материала для определенных целей (например, водонепроницаемость, огнеупорность).

В соответствии с возможными воздействиями на материал структурные характеристики и свойства строительных материалов классифицируют на:

–структурные характеристики – плотность, пористость, дисперсность и другие;

–физические свойства, определяющие отношение материала к различным физическим процессам и воздействиям, – влажность, водопоглощение, морозостойкость, теплопроводность, электропроводность и т.п.;

–механические свойства, определяющие отношение материала к деформирующему и разрушающему действию механических нагрузок, – прочность, твердость, истираемость и другие;

–химические свойства, характеризующие способность материала к химическим превращениям и стойкость против химической коррозии;

–долговечность – комплексный показатель, связанный с изменением главнейших эксплутационных свойств материалов во времени.

Свойства материалов оценивают числовыми показателями, устанавливаемыми путем испытаний по стандартной методике.

257

Плотностью называется масса единицы объема материала. Чтобы вычислить плотность ρ (кг/м3), надо знать массу материала т (кг) и его объем V (м3):

ρ = m/V.

Пористость – степень заполнения объема материала порами. Исходя из определения, пористость П (%) можно рассчитать по следующей формуле:

(т.е. объем твердого вещества в материале).

На практике пользуются другой формулой. Если естественный объем материала Vест и объем твердого вещества в нем Vтв, выразить через массу материала т и сред-

нюю ρm и истинную ρ плотности: Vест = m/ρm Vтв = m/ρ, то формула для расчета пористости (%) примет вид

П = [(m/ρm – m/ρ/(m/ρm)]100 = [(ρ – ρm)/ρ]100.

Строительные материалы в процессе их эксплуатации и хранения могут поглощать влагу. При этом их свойства существенно изменяются. Так, при увлажнении материала повышается его теплопроводность, изменяются средняя плотность, прочность и другие свойства.

Многие строительные конструкции (стены и фундаменты зданий, устои мостов, покрытия дорог) подвергаются совместному действию влаги и знакопеременных температур, которые постепенно приводят их к разрушению. Причина разрушения – расширение (примерно на 9 %) воды при замерзании в порах материала.

258

При определении механических свойств строительных материалов используют законы сопротивления материалов – науки о прочности и деформативности материалов и конструкций.

При определении прочности строительных материалов образец материала доводят до разрушения. Задача таких испытаний – определение напряжения, ниже которого материал существует неограниченно долго, а выше которого – разрушается мгновенно. Это предельное напряжение называется пределом прочности материала и обозначается R. Предел прочности рассчитывают по тем же формулам, что и напряжения, но вместо действующей силы берут силу разрушающую Pp.

Прежде чем приступить к испытанию образцов на прочность, определяют, какой мощности пресс необходимо применять. В основу выбора положено правило: нагрузка, разрушающая образец, должна составлять не менее 0,2 и не более 0,8 от предельной нагрузки Рmax пресса (при заданной шкале измерения нагрузки). При разрушающей нагрузке, меньшей 0,2 Рmax, точность измерения нагрузки снижается, а при нагрузках, близких к 0,8 Рmax, трудно обеспечить необходимую скорость нагружения, а детали и гидравлическая система пресса подвергаются повышенному изнашиванию. Разрушающую нагрузку рассчитывают ориентировочно, исходя из паспортных данных на материал и размеров испытуемых образцов.

Для определения прочности строительных материалов на изгиб применяют разнообразные машины и приборы. Каменные материалы (в том числе бетон) при определении прочности на изгиб требуют значительно меньших усилий, чем при определении прочности на сжатие.

259

Поэтому при испытании на изгиб могут быть использованы прессы малой мощности, снабженные специальными приспособлениями для установки образцов и передачи нагрузки, и универсальные испытательные машины. Для определения прочности на изгиб вяжущих веществ в виде стандартных образцов-балочек размером 40× 40× 160 мм применяют прибор Михаэлиса и машину МИИ-100, а также универсальные испытательные машины, оснащенные приспособлениями для испытания на изгиб.

Истираемость строительных материалов определяют специальными приборами, конструкция которых зависит от вида материала. Так, полимерные материалы для полов испытывают на машине МИВОВ-2 с помощью шлифовальной шкурки, а каменные материалы (бетоны, растворы, природный камень, керамическую плитку) на кругах истирания с использованием шлифовальных порошков (кварцевый песок).

Твердость каменных строительных материалов оценивают по шкале твердости Мооса (см. табл. 4.2), которая составлена из десяти минералов, расположенных по степени нарастания твердости.

При всех методах измерения значения твердости являются условными, зависящими не только от свойств материала, но и от метода испытания. Поэтому для сравнения твердости различных образцов их испытание проводят ка- ким-либо одним методом.

Некоторые строительные материалы – растворные и бетонные смеси, мастики, краски и др. – представляют собой пастообразные массы различной густоты. Чтобы такие материалы плотно укладывались в форму (опалубку) или хорошо сцеплялись с поверхностью конструкции,

260